CN1215923C - 形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
一种形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人，包括身体转动机构、组合偏动式SMA驱动器和行走机构，六条对称排列的腿交叉组合成两组，分别通过各自的基板连接在两层三叉支架上，腿的支撑杆与十字支架相连并可绕基板转动，支撑杆顶部与底端间连有形状记忆合金丝，两组腿两边分别连接形状记忆合金弹簧和普通偏动弹簧。本发明利用组合偏动式形状记忆合金驱动器，来控制躯干中的两层三叉支架的相对转动而实现机器人的转向运动，通过六条腿的分组交替运动来实现机器人的直线运动，有效实现了微型六足机器人的全方位运动。
Description
技术领域：
本发明涉及一种步行机器人，尤其涉及一种形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人，采用双层柔性身体关节和组合偏动式形状记忆合金(SMA)驱动器，能有效的实现微型六足机器人全方位运动。属于机器人技术领域。
背景技术：
目前，实现六足机器人转向运动一般有两种情况。若机器人的躯体是刚性的，则其转向一般通过腿部动作来完成，那么每条腿至少应该有3个自由度：髋关节、大腿和小腿，这往往导致结构复杂，自由度过多，需要的驱动器过多，给设计和控制带来麻烦。若机器人的躯体采用分段式连接，为实现转向，各段躯体之间应有一个俯仰自由度和一个侧摆自由度，同样导致结构复杂，占用空间大(Delcomyn，Fred；Nelson，Mark E.Architectures for a biomimetic hexapodrobot.[J]Robotics and Autonomous Systems，Vol：30，Issue：1-2，January 31，2000 pp.5-15)。由此可见，这两种情况都不适合于体积较小的微型机器人。
上海交通大学采用SMA丝代替骨骼肌驱动机器人的转动关节臂，开发了一种SMA丝驱动的仿蟑螂式六足步行机器人(李明东、程君实等，一种形状记忆合金丝驱动的微小型六足机器人，上海交通大学学报，2000，34(10)：1426-1429)。这种机器人共有12个自由度，每足两个，机器人的每条腿由两个单自由度转动关节臂组成，其中躯干、髋关节和大腿组成一个，大腿、膝关节和小腿组成另一个。但是由于机构的设计形式所限制，该机器人不能实现转弯运动。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种新型结构的形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人，能够灵巧转弯，具有全方位运动的能力。
为实现这样的目的，本发明在保持原机器人尺寸微型化的基础上，变六足为双三足，引入新颖的身体转动关节，并采用了创新设计的组合偏动式形状记忆合金(SMA)驱动器。
本发明主要包括身体转动机构、组合偏动式SMA驱动器和行走机构。
行走机构由六条对称排列的腿组成，六条腿交叉组合，机器人一侧位于中间的一条腿和另一侧位于边缘的两条腿为一组，每组中的三条腿同步运动，通过交替实现两组腿的抬起、偏转、落地的动作，来实现机器人向前直线运动。
身体转动机构包括两个三叉支架，上层三叉支架和下层三叉支架，其中上层三叉支架套接在下层三叉支架的轴上，二者可相对转动。每个支架的三个分支各自连接同一组的三条腿。
每条腿包括一块基板、上滑轮组和下滑轮组，十字支架、两根对称布置的形状记忆合金丝、普通偏动弹簧、支撑杆以及另一根形状记忆合金丝。基板固连在支架的一个分支上。上滑轮组和下滑轮组分别通过两根细轴固连在基板上，起导向的作用。十字支架的纵轴穿过基板边缘的通孔，故可绕基板转动。支撑杆顶端为圆形，并且有滑轮槽，通过一根细轴以转动副与十字支架纵轴的顶端相连。两根对称布置的形状记忆合金丝的一端固定在基板上的细杆上，然后分别绕过下滑轮组和上滑轮组连接在十字支架的横轴的两端。普通偏动弹簧的一端连接在基板上，另一端连接在支撑杆上。另一根形状记忆合金丝的一端连接在支撑杆的底端，绕过支撑杆顶部的滑轮槽后，另一端连接在基板的上边缘。
组合偏动式SMA驱动器由安装在机器人两端的两组弹簧组成，每组弹簧包括一根形状记忆合金(SMA)弹簧和一根普通偏动弹簧，二者均连接在机器人两端的两块基板之间。通过电流控制形状记忆合金弹簧的伸缩变形，结合普通偏动弹簧的恢复作用，从而驱动身体转动关节。
机器人的转向运动是通过组合偏动式SMA驱动器来控制躯干中的两层三叉支架的相对转动而实现的。在机器人对立两端的两个三叉支架之间分别连接了一根形状记忆合金弹簧和一根普通偏动弹簧。由于形状记忆合金的特性，常温下SMA弹簧的倔强系数＜普通偏动弹簧的倔强系数＜通电加热后SMA弹簧的倔强系数。当机器人正常直线前进时，两个SMA弹簧处于自然状态，而两个普通偏动弹簧均处于拉伸状态。由于是两层支架的结构，当两支架一侧的夹角变小时，另一侧的夹角将变大。这样，由于两侧的两个普通偏动弹簧均处于拉伸状态，在它们的平衡拉力下，两支架的相对位置保持固定。在此状态下，两侧的夹角均为54度。当机器人直线前进时，两个支架就保持这种位置关系。
SMA弹簧通电加热以后，其长度会缩短很多，而且同时倔强系数会变得比普通弹簧大很多。当对其中一根SMA弹簧通电加热以后，其长度缩短，倔强系数增大很多，产生较大的拉力，从而克服普通弹簧的拉力使两个支架发生相对转动，支架这侧的角度变小，普通弹簧缩短，此时另一侧的角度变大，普通弹簧和SMA弹簧将被进一步拉伸，同时拉力增大。断电后，支架这侧的SMA弹簧的长度和倔强系数逐渐恢复到原来的大小，此时在支架另一侧弹簧的拉力作用下，支架的相对位置又回复最初。由于其中一组弹簧中的SMA弹簧的拉力主要靠另一组弹簧中的普通弹簧来平衡，在它们的共同作用下驱动身体转动关节，故称作组合偏动驱动器。
机器人的直线运动通过六条腿的分组交替运动来实现。两层三叉支架将机器人躯干分为两层，机器人的六条腿通过各自的基板固接到支架上，每块基板的边缘有一个通孔，用一个十字形支架通过其下端的转轴安装在基板的通孔中，通过转动副与基板相对转动，即形成了髋关节。而支撑杆则通过一根轴以转动副与十字支架的顶端相连，形成膝关节。这样改进后，每条腿与躯干的连接简单化，在躯干因运动需要变形时可避免六条腿之间的相互干涉。十字支架的两端分别连接着SMA丝，通过导向滑轮与基板上的固定杆相连。如果将基板一侧的SMA丝通电加热，则导致其收缩，产生较大的拉力，在其作用下，十字支架偏转，带动支撑杆前进。如果将这一侧的SMA丝断电，而将另一侧的通电，则十字支架向相反的方向偏转。这样就能实现髋关节的作用，使机器人前后运动。自然状态下，支撑杆在SMA丝和连接在其上的普通偏动弹簧的张力作用下平衡并张开一定的角度。如果将支撑杆上的SMA丝加热，其收缩所产生的力将克服弹簧的张力，使支撑杆抬起。断电后，SMA丝冷却，支撑杆在弹簧的张力作用下回复到最初的位置。这样就实现了膝关节的运动。
本发明由单片机中的程序来控制，利用单片机输出的电流来实现形状记忆合金的通电加热收缩。机器人在运动过程中将直线运动和转向运动结合起来，在单片机的协调控制下就能实现全方位运动。
本发明利用形状记忆合金(SMA)在通电加热后能发生很大的收缩的特性，创新提出了组合偏动式SMA驱动器，用其驱动新型的身体转动关节，从而有效的实现了微型六足机器人的全方位运动。
附图说明：
图1为本发明结构示意图。
图中，上层三叉支架7套接在下层三叉支架16的轴上，构成身体转动机构，行走机构由六条对称排列的腿1～6组成，六条腿交叉组合，1、3、5和2、4、6各为一组，每条腿分别通过各自的基板15与上下层三叉支架连接，上滑轮组10和下滑轮组11分别固连在基板15的内侧，基板15的外侧上部安有一可绕基板转动的十字支架14，每条腿的支撑杆6通过圆形顶端的细轴与十字支架14的纵轴相连。两根形状记忆合金丝12分别绕过下滑轮组11和上滑轮组10连接在十字支架14的横轴的两端。基板15与支撑杆6之间连接一根普通偏动弹簧13，形状记忆合金丝17一端连接在支撑杆6底端，另一端绕过支撑杆6顶部的滑轮槽，固连在基板15的上侧边缘。机器人两组腿两边对应的两块基板之间，分别连接由一根形状记忆合金(SMA)弹簧7和一根普通偏动弹簧8组成的组合偏动式SMA驱动器。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明主要包括身体转动机构、组合偏动式SMA驱动器和行走机构。
行走机构由六条对称排列的腿1～6组成，六条腿交叉组合，1、3、5和2、4、6各为一组，每组中的三条腿同步运动，通过交替实现两组腿的抬起、偏转、落地的动作，来实现机器人向前直线运动。
身体转动机构包括两个三叉支架，上层三叉支架7和下层三叉支架16，其中支架7套接在支架16的轴上，二者可相对转动。每个支架上各自连接同一组的三条腿，即三条腿1、3、5连接在下层三叉支架16上，三条腿2、4、6连接在上层三叉支架7上。
每条腿包括一块基板15、上滑轮组10和下滑轮组11，十字支架14、两根形状记忆合金丝12、普通偏动弹簧13、支撑杆6以及形状记忆合金丝17。基板15固连在支架7的一个分支上。上滑轮组10和下滑轮组11分别通过两根细轴固连在基板上，起导向的作用。十字支架14的纵轴穿过基板边缘的通孔，故可绕基板转动。支撑杆6顶端为圆形，并且有滑轮槽，通过一根细轴以转动副与十字支架14纵轴的顶端相连。两根对称分布的形状记忆合金丝12的一端固定在基板上的细杆上，然后分别绕过下滑轮组11和上滑轮组10连接在十字支架14的横轴的两端。普通偏动弹簧13的一端连接在基板15上，另一端连接在支撑杆6上。形状记忆合金丝17的一端连接在基板的上边缘，绕过支撑杆6顶部的滑轮槽后，另一端连接在支撑杆6的底端。
组合偏动式SMA驱动器由安装在机器人两端的两组弹簧组成，每组弹簧包括一根形状记忆合金(SMA)弹簧9和一根普通偏动弹簧8，二者均连接在机器人两端的两块基板之间。通过电流控制形状记忆合金弹簧的伸缩变形，结合普通偏动弹簧的恢复作用，从而驱动身体转动关节。
机器人的6条腿分为两组，1、3、5腿为第I组，2、4、6腿为第II组，行走过程中同一组内3条腿的步调一致。
一个完整的直线行走的步行周期分为6拍：①I组腿抬起；②I组腿前摆，II组腿后摆；③I组腿落地；④II组腿抬起；⑤II组腿前摆，I组腿后摆；⑥II组腿落地。注意在第一个周期里，第②拍中不执行第II组的腿后摆。在平坦地面，为提高步行速度，①、②拍可同时进行，④、⑤拍可同时进行。当地面崎岖不平时，只有将非支撑腿抬到足够高时才能摆动大腿，推动机器人前进，以避免地面与非支撑腿的干涉。
由于采用组合偏动SMA驱动器驱动机器人的身体转动关节，故可以实现原地旋转。由实验测得，一次动作可以旋转约15度，通过多次15度的变化，可以实现任意角度的转向，机器人的中心位置则基本保持不变。这个特点对于微型机器人在有限的空间里实现转向极其重要。机器人的转向是通过SMA弹簧以及普通弹簧的联合作用实现的。例如，机器人实现逆时针转向15度的动作包括6拍：①II组腿抬起；②SMA弹簧1通电加热；③II组腿放下；④I组腿抬起；⑤SMA弹簧1断电冷却；⑥II组腿放下。此时整个机器人的前进方向转过了15度，而中心位置保持不变。
Claims (1)
1、一种形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人，其特征在于上层三叉支架(7)套接在下层三叉支架(16)的轴上，上层三叉支架(7)与下层三叉支架(16)可以相对转动，构成身体转动机构，行走机构中六条对称排列的腿(1～6)交叉组合成两组，其中一组三条腿分别通过各自的基板(15)与下层三叉支架(16)连接，另一组三条腿分别通过各自的基板(15)与上层三叉支架(7)连接；每条腿中，基板(15)的内侧安有一对上滑轮组(10)和一对下滑轮组(11)，基板(15)的外侧上部安有可绕基板转动的十字支架(14)，形成腿的髋关节，支撑杆(6)通过其圆形顶端的细轴以转动副与十字支架(14)纵轴的顶端相连，形成腿的膝关节，两根对称布置的形状记忆合金丝(12)的一端固定在基板(15)上的细杆上，然后分别绕过下滑轮组(11)和上滑轮组(10)连接在十字支架(14)横轴两端，基板(15)与支撑杆(6)之间连接一根普通偏动弹簧(13)，一端连接在支撑杆(6)底端的形状记忆合金丝(17)绕过支撑杆(6)顶部的滑轮槽，固连在基板(15)的上侧边缘；两组腿两边对应的两块基板之间，分别连接由形状记忆合金弹簧(9)和普通偏动弹簧(8)组成的组合偏动式形状记忆合金驱动器。
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